Verbetering van beschermingslogica en ingenieursapplicatie van aardingsversterkers in spoorwegenergievoorzieningssystemen

1. Systeemconfiguratie en bedrijfsomstandigheden
De hoofdtransformatoren in de hoofdonderstations van het Conventie- & Expositiencentrum en het Stedelijk Stadion van de Zhengzhou Rail Transit maken gebruik van een ster/delta-wikkeling met een niet-geaarde neutrale punt. Aan de 35 kV buszijde wordt een Zigzag-grondingstransformator gebruikt, die via een laagwaardige weerstand aan de grond is verbonden en tevens de stationsvoorzieningen bevoorraadt. Bij het optreden van een enkelefasig grondonderbreking op een lijn ontstaat er een pad via de grondingstransformator, de grondingsweerstand en het grondingsnetwerk, waardoor nulreeksstroom wordt gegenereerd. 

Dit stelt gevoelige, selectieve nulreeksbescherming in staat om binnen het defecte segment betrouwbaar en onmiddellijk de bijbehorende schakelaars te laten uitschakelen, waardoor het defect wordt geïsoleerd en zijn impact wordt beperkt. Als de grondingstransformator wordt afgesloten, wordt het systeem een niet-geaard systeem. Onder deze omstandigheden zou een enkelefasig gronddefect het systeemisolatie en de veiligheid van de apparatuur ernstig bedreigen. Daarom moet, wanneer de bescherming van de grondingstransformator werkt, niet alleen de grondingstransformator zelf worden uitgeschakeld, maar ook de bijbehorende hoofdtransformator.

2. Beperkingen van bestaande beschermingschema's
In de energievoorzieningssystemen van de hoofdonderstations van het Conventie- & Expositiencentrum en het Stedelijk Stadion van de Zhengzhou Rail Transit, omvat de bestaande bescherming voor de grondingstationstransformator slechts overstromingsbescherming. Wanneer een defect ertoe leidt dat de grondingstransformator wordt uitgeschakeld en buiten dienst wordt gesteld, wordt alleen het eigen schakelkastje uitgeschakeld zonder dat er een kettingreactie plaatsvindt om de bijbehorende ingangsspanningsvoederuitgangschakelaar uit te schakelen. 

Dit resulteert in het betreffende bussegment dat gedurende een langere periode zonder grondpunt werkt. Bij een enkelefasig gronddefect onder dergelijke omstandigheden kan overspanning optreden of kan het beschermingssysteem geen nulreeksstroom detecteren, waardoor de nulreeksbescherming niet correct werkt of faalt—met als gevolg een potentieel escalatie van het incident en een compromittering van de algehele elektriciteitsveiligheid.

Bovendien, tijdens automatische buskoppelingsoverdrachten (buskoppelingsautoswitching), wordt de grondingstationstransformator op het gedeenergieerde bussegment niet gekoppeld om uit te schakelen. Dit kan ertoe leiden dat beide bussegmenten via de buskoppelingschakelaar worden verbonden, wat resulteert in een twee-puntsgronding situatie binnen het systeem. Een dergelijke twee-puntsgronding situatie kan leiden tot twee ernstige problemen: (1) verkeerde classificatie van nulreeksstroom bij gronddefecten, waardoor de bescherming niet correct werkt of foutief uitschakelt; en (2) circulerende stromen veroorzaakt door nulreeksstroom, wat leidt tot oververhitting en isolatieschade van de apparatuur.

De huidige beschermingslogica heeft significante beperkingen. Conventionele beschermingsapparatuur monitort slechts de werkingstoestand van de grondingstransformator en vestigt geen koppelinglogica op met de ingangsspanningsvoederuitgangschakelaars of de buskoppelingschakelaar—ontbreken noodzakelijke blokkering/interlock-mechanismen.

3. Aanbevelingen voor het verbeteren van bestaande beschermingsbeperkingen

3.1 Voorgestelde verbeteringsmaatregelen

Voeg "Grondingstationstransformator Uitschakeling Interlock" zachte logica toe

• Triggerconditie: De schakelaar van de grondingstationstransformator gaat open. Als het systeem lage-weerstandsgronding gebruikt, kan de verdwijning van de grondingsweerstandstroom als extra criterium worden toegevoegd.

• Interlock Uitschakelogica Ontwerp: Schakel de ingangsspanningsvoederuitgangschakelaar uit: Als de grondingstationstransformator wordt verwijderd en er geen andere grondpunten op het bussegment bestaan, interlock-schakel de ingangsspanningsvoederuitgangschakelaar uit om de belastingsoverdracht naar een ander bussegment te forceren. Schakel de buskoppelingschakelaar uit: Als beide bussegmenten parallel via de buskoppelingschakelaar werken, interlock-schakel de buskoppelingschakelaar uit om het niet-geaarde bussegment te isoleren.

• Technische Implementatie Aanbeveling: Voeg nulreeksstroombescherming toe. Bij overstroming of nulreeksstroomwerking, moet het beschermingsapparaat zijn lokale schakelaar uitschakelen en tegelijkertijd interlock-uitschakelecommando's verzenden naar de bijbehorende ingangsspanningsvoederuitgangschakelaar en de buskoppelingschakelaar. Beschermingsapparaatfabrikanten moeten de interlock-logischediagrammen dienovereenkomstig wijzigen en software-upgrades uitvoeren op basis van deze logica.

3.2 Beschermingsupgrade op basis van nulreeksspanning

• Nulreeks Overspannings Blokkeren/Uitschakelen Functie: Voeg nulreeks overspanningsbescherming toe aan het busbeschermingsschema als back-up wanneer de grondingstationstransformator buiten dienst is. Als de nulreeksspanning langer dan de ingestelde tijdslimiet de ingestelde drempelwaarde overschrijdt, schakel dan automatisch de ingangsspanningsvoederuitgangschakelaar of de buskoppelingschakelaar uit.

• Coördinatie met Grondingtransformator Status: Koppel de nulreeksspanningsbeschermingsfunctie aan het werkingstoestandsignaal van de grondingstationstransformator: Wanneer de grondingtransformator normaal werkt, werkt de nulreeksspanningsbescherming in alarmmodus. Wanneer de grondingtransformator buiten dienst is, schakelt de nulreeksspanningsbescherming over naar uitschakelmodus.

• Implementatienotities – Anti-foutafhandelingsmaatregelen: Voeg tijdsvertraging toe om valse uitschakelingen door tijdelijke verstoringen te voorkomen. Gebruik "EN" logica-criteria (bijvoorbeeld nulreeksspanning + grondingtransformator uit-toestand) om de betrouwbaarheid te versterken.

3.3 Bewerkingscircuitwijziging (Hardwareverbetering)

• Voeg hardwired interlock-circuits toe tussen het beschermingsapparaat van de grondingstationstransformator en het beschermingsapparaat van de ingangsspanningsvoederuitgangschakelaar. Wanneer de grondingtransformator uitschakelt, gaat het uitschakele-signaal van de uitgangsterminal van het beschermingsapparaat → activeert de uitgangsterminal van het beschermingsapparaat van de ingangsspanningsvoederuitgangschakelaar → schakelt de ingangsspanningsvoederuitgangschakelaar uit.

• Tijdens de automatische overbrenging van buskoppeling, wanneer het beschermingsapparaat voor de buskoppeling een signaal verzendt om de inkomende voederschakelaar te laten uitschakelen, verzendt het tegelijkertijd een signaal via zijn interlock-uitgangsterminal → naar de uitgangsterminal van het beschermingsapparaat van de grondingsstationstrafo → om de grondingstrafo-schakelaar te laten uitschakelen.

3.4 Uitvoering van de ter plaatse uitgevoerde upgrade
Zoals weergegeven in Tabel 1, vereisen zowel Optie 1 als Optie 2 aanpassingen en upgraden van beschermingsapparaten. Echter, het hoofdtransformerhuis van het Conventie- & Expositiecentrum en het hoofdtransformerhuis van het Stadion zijn verouderde transformerhuizen waarvan de apparatuur ver buiten de garantie is. Het implementeren van Optie 1 of Optie 2 zou vereisen dat de oorspronkelijke fabrikant van het beschermingsapparaat software-upgrades uitvoert, wat betekent dat er aanzienlijke mankracht en financiële investering nodig is. Daarom hebben de operationele medewerkers gekozen voor Optie 3 - ter plaatse uitgevoerde aanpassingen door het toevoegen van hardwired interlock-circuits.

Wanneer de aardingsversterker vanwege een storing wordt afgesloten, moet de inkomende voederschakelaar worden gekoppeld en afgesloten. Bij inspectie bleek dat de reservere uitgangen 1, 2 en 3 ongebruikt waren. Na het einde van de treinbewegingen vroegen onderhoudspersoneel de toestemmingsverlener voor een werkvergunning ("aanvraag voor werktoestemming"). De toestemmingsverlener voerde de belastingsoverdracht volgens operationele vereisten uit en keurde de werkvergunning goed zodra de omstandigheden geschikt waren voor constructie.

Voor het koppelingsafsluitcircuit: de reservere uitgang 2 (aansluitingen 517/518) op het 5# signaalplug-inplaatje van de WCB-822C beschermingsapparatuur—normaal open contacten—werd in serie verbonden met een nieuw toegevoegd hardwired koppelingscircuit. Dit circuit werd vervolgens gerouteerd naar de normaal open aansluitingen van uitgang 5 (aansluitingen 13/14) op het 4# uitgangplug-inplaatje van de WBH-818A beschermingsapparatuur voor de inkomende voederschakelaarkast. Na het uitgangssignaal van de terminalblok, werd de inkomende voederschakelaar afgesloten. De hardwiring werd geïnstalleerd tussen de aardingsversterkerschakelaarkast en de inkomende voederschakelaarkast, en geïntegreerd in het hardwired blokkercircuit via een fysieke drukplaatlink. Het inschakelen of uitschakelen van deze harde drukplaat bepaalt of de blokkeringsfunctie actief is.

De aanpassingspunten voor de andere bussectie zijn identiek aan bovenstaande. Tijdens de retrofit van beide bussecties werden gedeeltelijke inkomende voeders gebruikt om een ononderbroken stroomvoorziening naar de betreffende servicegebieden te garanderen, waardoor de impact op de post-operatieve apparatuuronderhoud werd geminimaliseerd.

Na afronding van de aanpassingen werd een beschermingsrelais-test uitgevoerd om de koppelingsafsluitfunctie te verifiëren. Zodra dit als normaal was gecontroleerd, werd het systeem direct in gebruik genomen.

Betreffende de koppelingsafsluiting van de aardingsstationsversterker op de gedempte bus tijdens de automatische overdracht van busverbinding (BATS): bij inspectie bleek dat de reservere uitgangen 3 tot 7 ongebruikt waren. Na het einde van de treinbewegingen vroegen onderhoudspersoneel de toestemmingsverlener voor een werkvergunning. De toestemmingsverlener voerde belastingsoverzetting uit volgens operationele behoeften en gaf goedkeuring nadat de constructievoorwaarden waren voldaan.

Voor de ter plaatse retrofit van de aardingsstationsversterker van Bus Sectie I: werd een nieuw hardwired circuit toegevoegd. De reservere uitgang 3 (aansluitingen 519/520) op het 5# signaalplug-inplaatje van de WBT-821C beschermingsapparatuur—normaal open contacten—werd in serie verbonden met het nieuwe hardwired circuit, dat vervolgens werd gerouteerd naar de normaal open aansluitingen van reservere uitgang 1 (aansluitingen 514/515) op het 5# uitgangplug-inplaatje van de WCB-822C beschermingsapparatuur in de aardingsstationsversterkerschakelaarkast van Bus Sectie I. Na de terminale uitvoer werd de aardingsversterkerschakelaar afgesloten. Het nieuwe hardwired circuit werd geïnstalleerd op de secundaire kastdeuren van zowel de aardingsversterkerschakelaarkast als de busverbindingsschakelaarkast, en verbonden in het hardwired blokkercircuit via een fysieke drukplaatlink. De blokkeringsfunctie kan worden ingeschakeld of uitgeschakeld door de harde drukplaat in of uit te schakelen.

Voor de ter plaatse retrofit van de aardingsstationsversterker van Bus Sectie II: werd een nieuw hardwired circuit toegevoegd. De reservere uitgang 4 (aansluitingen 311/312) op het 3# expansieplug-inplaatje van de WBT-821C beschermingsapparatuur—normaal open contacten—werd in serie verbonden met het nieuwe hardwired circuit, dat vervolgens werd gerouteerd naar de normaal open aansluitingen van reservere uitgang 1 (aansluitingen 514/515) op het 5# uitgangplug-inplaatje van de WCB-822C beschermingsapparatuur in de aardingsstationsversterkerschakelaarkast van Bus Sectie II. Na de terminale uitvoer werd de aardingsversterkerschakelaar afgesloten. Het nieuwe hardwired circuit werd geïnstalleerd op de secundaire kastdeuren van zowel de aardingsversterkerschakelaarkast als de busverbindingsschakelaarkast, en verbonden in het hardwired blokkercircuit via een fysieke drukplaatlink. De blokkeringsfunctie kan worden ingeschakeld of uitgeschakeld door de harde drukplaat in of uit te schakelen.

De aanpassing van het koppelingsafsluitsignaal voor de aardingsstationsversterker op de gedempte bus tijdens de start van de automatische overdracht van busverbinding werd voltooid tijdens het bovengenoemde single-bus retrofitproces voor de corresponderende bussectie.

4. Conclusie

Als een kunstmatig geïntroduceerd neutraal punt in elektriciteitsnetwerken met niet-gegronde neutrale configuraties speelt de aardingsversterker een cruciale rol in het waarborgen van systeemveiligheid en stabiele werking. De bovenstaande verbeteringen versterken de systeemveiligheid significant wanneer de aardingsversterker buiten dienst wordt gesteld, waardoor de risico's van overspanning en apparatuurschade veroorzaakt door werken zonder aardingspunt effectief worden vermeden. Voordat er daadwerkelijk wordt geïmplementeerd, moet een gedetailleerde verificatie worden uitgevoerd op basis van specifieke apparatuurmodellen en systeemparameters.